Roboter wurden traditionell speziell für eine einzelne, sehr spezifische Aufgabe gebaut, aber Forscher der Beihang University verfolgen mit a einen ganz anderen Ansatz neue Roboterdrohne Das kann unter Wasser genauso einfach funktionieren wie in der Luft und verfügt über einen cleveren, von der Natur inspirierten Trick zur Maximierung seiner Reichweite.
Wenn Sie an Roboter denken, kommt Ihnen wahrscheinlich eine von zwei Versionen in den Sinn: die hochleistungsfähigen Humanoiden, die uns die Science-Fiction versprochen hat, oder die geistlosen Gelenkarme, die sich wiederholende Aufgaben in Fabriken erfüllen. Der letztgenannte Ansatz ist mehr oder weniger das, was wir seit Jahrzehnten verfolgen, aber da die Technologie langsam die Vorstellungskraft von Science-Fiction-Autoren einholt, beginnen Roboterdesigner, Automaten zu entwickeln, die eine größere Vielfalt von Aktionen ausführen können. Spot von Boston Dynamicszum Beispiel, verwendet vier hundeähnliche Beine, um durch verschiedene Terrains zu navigieren und viele verschiedene Missionen auszuführen, darunter den Schutz der Ruinen von Pompeji über Nacht und die Erstellung detaillierter 3D-Karten von Gebieten, die für Menschen zu gefährlich sind, um sie zu besuchen.
Der anpassungsfähige Ansatz erleichtert es Unternehmen oder Forschungseinrichtungen, die hohen Kosten eines Roboters zu rechtfertigen, aber was das Labor für Biomechanik und Softrobotik der Beihang-Universität geschaffen hat, ist wirklich einzigartig. Selbst mit stark beweglichen Beinen ist der Spot von Boston Dynamics immer noch auf Missionen an Land beschränkt. Diese neue Drohne kann Aufgaben entweder unter Wasser, in der Luft oder beidem ausführen, ohne dass zwischenzeitliche Modifikationen erforderlich sind.
Für die meisten Quadcopter-Drohnen bedeutet eine Wasserlandung, dass der Pilot hinauswaten muss, um sie zu retten (und dann die meisten ihrer elektronischen Komponenten ersetzen muss). Diese Drohne ist anders. Es ist vollständig wasserdicht und verfügt über einen Satz selbstfaltender Propeller, die zusammenklappen, wenn sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten unter Wasser betrieben werden, um die Drohne beim Untertauchen effizient zu manövrieren. Sie fahren dann automatisch aus, wenn die Drohne aus dem Wasser in die Luft geht. Die Forscher optimierten die Leistung der Drohne so, dass der Wasser-zu-Luft-Übergang etwa eine Drittelsekunde dauert, und wie eine Gruppe Delfine, die aus dem Wasser springen, ist die Drohne in der Lage, wiederholte Wasser-Luft-Übergänge durchzuführen, von denen sie sieben durchführt sie nacheinander während des Tests in etwa 20 Sekunden.
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Wie bei jedem elektronischen Gerät sind die autonomen Fähigkeiten eines Roboters oft durch die Kapazität seiner Batterien begrenzt, und das gilt insbesondere für fliegende Drohnen, die auf vier sich ständig drehende Elektromotoren angewiesen sind, um in der Luft zu bleiben. In Laborumgebungen sehen Sie oft fortschrittliche Roboter, die an Kabelseilen befestigt sind, die eine ununterbrochene Energiequelle bieten, aber das ist keine gute Option für Bots, die die Tiefen des Ozeans erkunden oder Luftdaten sammeln sollen – oder in diesem Fall beides .
Um die Reichweite dieser Drohne drastisch zu erhöhen und die Batterieleistung auf dem Weg zu und von einem Missionsort zu schonen, gaben die Forscher ihr ein zusätzliches Upgrade, das vom Remora-Fisch inspiriert ist, besser bekannt als Suckerfish, der oben eine Klebescheibe verwendet seines Kopfes, um sich vorübergehend an anderen Unterwasserkreaturen zu befestigen, um per Anhalter mitzufahren und Energie zu sparen.
Drohnen, die landen können, um gezielte Beobachtungen durchzuführen und gleichzeitig die Akkulaufzeit zu verlängern, sind keine neue Idee, aber wie Roboter in einer Fabrik verwenden sie normalerweise Mechanismen, die auf bestimmte Oberflächen zugeschnitten sind, z bewegliche Krallen, die einen Ast greifen oder klebrige Gecko-inspirierte Füße, die an Wänden kleben. Für eine auf Flexibilität ausgelegte Roboterdrohne wollten die Forscher eine vielseitigere Möglichkeit zur Befestigung an einer Vielzahl von Oberflächen: nasse, trockene, glatte, raue, gekrümmte oder sogar solche, die sich unter Wasser bewegen, wo die Scherkräfte des Wassers eine erfordern extra starker Halt.
Die Klebescheibe des Remora-Fisches war die perfekte Lösung, da sie eingebaute Redundanzen enthält, die es ihr ermöglichen, selbst bei teilweisem Kontakt an Oberflächen zu haften. Vor zwei Jahren war Li Wen, einer der Forscher und Autoren des heute veröffentlichten Artikels, Teil eines anderen Forschungsprojekts an der Beihang-Universität, das die tatsächliche Funktionsweise der Remora-Fischscheibe rekonstruierte.
Diese Forschung ergab, dass Remora-Fische sehr ähnlich wie ein Saugnapf an Oberflächen haften, mit einem flexiblen ovalen Grat aus weichem Gewebe, der eine dichte Abdichtung erzeugt. Wenn Wasser aus der Lücke zwischen dem Schiffshalter und seinem Wirt herausgedrückt wird, hält die Saugwirkung es an Ort und Stelle. Die Oberfläche der Remora-Fischscheibe ist auch mit Rippen bedeckt, die in Spalten und Reihen angeordnet sind, die als Lamellen bezeichnet werden (ähnlich den Rippen, die Sie auf dem Gaumen spüren können), die durch Muskelkontraktionen verlängert werden können, um winzige Stacheln einzugreifen, die sich weiter festhalten Gastgeber. Diese Lamellenrippen tragen auch dazu bei, kleinere Saugkammern zu schaffen, die ihre Abdichtung aufrechterhalten, selbst wenn die größere Lippe der Scheibe dies nicht tut. Im Gegensatz zu einem Saugnapf, der seinen Halt auf einer glatten Oberfläche löst, wenn ein kleiner Teil seiner Kante angehoben wird, hält ein Remora-Fisch immer noch fest.
Das Team war in der Lage, durch einen vierschichtigen Ansatz eine künstliche Version der Saugscheibe des Remorafisches herzustellen. Sie kombinierten eine ultraflexible Schicht oben mit steiferen Strukturen darunter sowie eine Schicht mit einem Netzwerk aus kleinen Kanälen, die aufgeblasen werden können, wenn sie mit Flüssigkeit vollgepumpt werden, wodurch lebendes Muskelgewebe ersetzt wird, um die Lamellenstrukturen zu aktivieren und die Saugkraft weiter zu erhöhen .
Der Saugmechanismus, der auf der Tauchdrohne installiert ist, ermöglicht es ihr, an einer Vielzahl von Oberflächen zu haften, selbst wenn sie eine raue Textur haben, nicht perfekt flach sind oder eine kleinere Oberfläche als der Saugmechanismus haben. Wie ein Remora-Fisch könnte die Drohne zumindest theoretisch einen Unterwasserwirt finden (einen, der nicht sofort von seinen sich drehenden Propellern abgeschreckt wird) und sich für eine freie Fahrt anheften, wobei nur der Saugmechanismus angetrieben werden muss, was a ist minimale Belastung der Bordbatterien. Dasselbe könnte in der Luft gemacht werden, obwohl die Herausforderungen des erfolgreichen Anbringens der Drohne an ein anderes Flugzeug monumental wären, da selbst etwas so Langsames wie ein Segelflugzeug eine Mindestgeschwindigkeit von 40 Meilen pro Stunde hat: ein herausforderndes sich bewegendes Ziel.
Eine plausiblere Verwendung des Saugmechanismus besteht darin, die Drohne vorübergehend irgendwo mit einem idealen Aussichtspunkt für Langzeitbeobachtungen zu platzieren. Anstatt sich auf ihre vier Motoren zu verlassen, um eine bestimmte Position unter Wasser zu halten, während sie gegen fließende Strömungen kämpft, könnte sich die Drohne an einen Felsen oder Baumstamm heften und ihre Motoren ausschalten, während sie weiterhin Sensoren und Kameras mit Strom versorgt. Das Gleiche könnte über der Wasserlinie erfolgen, wobei die Drohne hochfliegt und sich an die Seite eines hohen Gebäudes oder die Unterseite der Gondel einer Windkraftanlage heftet und Messungen und andere Datenerfassungen ohne die Verwendung ihrer Batterie durchführt. Motoren entleeren. Es ist eine Lösung für die Batterietechnologie, die immer noch unglaublich begrenzt ist und die Notwendigkeit umgeht, die Batterien selbst zu reparieren.
